7.6. Модуляция и демодуляция оптической несущей

Оптическую несущую можно представить как электрическое поле мо­нохроматического излучения, мгновенное значение которого при фикси­рованных пространственных координатах равно

(7.10)

Где - амплитуда поля;- соответственно частота и фаза оптической несущей.

Таким образом, оптическое излучение характеризуется амплитудой, частотой, мгновенной фазой, или поляризацией. Квадрат выражения (7.10) называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т. е.

(7.11)

Где - амплитудное значение интенсивности.

Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсив­ности оптического излучения под воздействием управляющего (модули­рующего) сигнала называется модуляцией.

В оптическом диапазоне широко используются аналоговая, импульс­ная и цифровая модуляции: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и их разновидности.

При аналоговой модуляции непрерывному изменению амплитуды инфор­мационного сигнала соответствует плавное изменение амплитуды (интенсив­ности), фазы оптической несущей частоты (аналоговые амплитудная модуля­ция - AM, модуляция интенсивности - МИ, частотная модуляция - ЧМ, фазо­вая модуляция - ФМ).

Аналоговая поляризационная модуляция (аналоговая ПМ) может быть двух видов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол век­тора поляризации линейно-поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигна­ла; при круговой ПМ отношение интенсивностей оптической несущей право­го и левого круговых поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала.

При импульсной модуляции амплитуда, интенсивность, длительность, ширина, частота, фаза оптических импульсов изменяются пропорцио­нально амплитуде информационного сигнала (амплитудно-импульсная модуляция - АИМ, импульсная модуляция интенсивности - ИМИ, широтно-импульсная модуляция - ШИМ, частотно-импульсная модуляция и фазо-импульсная модуляция - ФИМ, называемая также позиционно-импульсной модуляцией - ПИМ).

Применение ШИМ в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) оказывается нецелесообразным, поскольку при этом виде моду­ляции сравнительно неэффективно используется выходная мощность ис­точника оптического излучения и, кроме того, ее помехоустойчивость ниже по сравнению с другими видами импульсной модуляции. При ФИМ, ЧИМ и ИМИ для передачи информации используются относительно ко­роткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффек­тивно использовать выходную мощность оптического излучения.

Под цифровой модуляцией в самом общем случае понимается переда­ча двоичной последовательности импульсов одинаковой амплитуды, дли­тельности и фазы методами ИКМ или ДМ. При этом различают такие ви­ды цифровой модуляции, как ИКМ - AM (ИКМ - МИ), когда передаче единицы или нуля информационной последовательности импульсов соот­ветствует максимальная или минимальная соответственно интенсивность (амплитуда) оптической несущей; при ИКМ - ЧМ единице информацион­ной последовательности соответствует одно значение частоты оптической несущей, а нулю - другое значение.

При ИКМ - ФМ фаза оптической несущей манипулируется по отно­шению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или в соответ­ствии с единицей или нулем исходной информационной последователь­ности. Импульсно-кодовую поляризационную модуляцию (манипуля­цию) - ИКМ - ПМ можно осуществить в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярно-ортогональном. В первом случае единица и нули исходной информационной последовательности различаются линейными ортогональными поляризациями оптического излучения (например, вертикальная поляризация соответствует единице, горизон­тальная - нулю). Во втором случае единице соответствует правая круго­вая поляризация, а нулю - левая.

В настоящее время в технике ВОСП в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излу­чения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродин­ными методами приема. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. Существуют разные способы модуляции параметров оптического излучения:

1. Прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения лазерного (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигает­ся изменением тока накачки или тока смещения.

2. Внешняя модуляция, при которой управляющий сигнал воздействует на оптическое излучение с помощью внешнего оптического модулятора.

3. Внутренняя модуляция, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например Фабри- Перо, и изменяющего его добротность.

В оптических системах передачи используется два метода приема мо­дулированного оптического сигнала:

• прямая или непосредственная демодуляция модулированного по ин­тенсивности оптического излучения;

• когерентный прием оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный способ преобразования частот. При когерентном приеме возможны синхронная и несинхронная демодуляции по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции.

Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, называют­ся оптическими модуляторами.

Принципы действия оптических модуляторов реализуются на основе физических эффектов, протекающих при распространении светового по­тока в различных средах, как правило в кристаллах соответствующей структуры.

Так как прием оптического излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразуют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) либо непо­средственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, по­мещаемых перед оптическим модулятором.

Качество работы оптических модуляторов определяется такими пара­метрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуля­ционной характеристики, динамический диапазон, глубина модуляции, потери света, широкополосность или быстродействие, экономичность в потреблении энергии.

Метод модуляции оптической несущей выбирается в каждом конкрет­ном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требова­ний, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности моду­лирующего сигнала, коэффициенту (глубине) модуляции, а также от ре­жима работы (импульсного или непрерывного).